基于步進電機的工業取料機械手的定位控制

李偉成

摘 要：文章首先對步進電機和機械手的結構進行了分析，然后對步進電機工業取料機械手的硬件設計與軟件設計進行了分析，以便更好的促進PLC控制的步進電機在注塑取料機械手中的廣泛應用，不斷提高機械手的定位精度，縮短步進電機的升降時間，從而提高產品的生產效率。

關鍵詞：步進電機；機械手；定位控制

引言

機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，也是現代工業生產中的一個重要組成部分。當前對于工業取料機械手的控制方法主要采用液壓或者氣壓驅動，這兩種方法的控制精度不高，并且不利于生產過程的自動化，而步進電機控制的工業取料機械手定位方法的應用，不僅能夠提高產品的生產效率，還能夠保障相關工作人員的人身安全，降低生產成本。

1步進電機和機械手的概述

1.1步進電機的概述

步進電機是一種運動執行部件，其具有缺乏積累誤差的特點，并可以將電脈沖信號轉換為角位移，從而被廣泛應用于各種開環控制中。同時，相關人員可以通過發送脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，并且其還可以通過控制脈沖頻率來對電動機的速度和加速度進行控制，從而達到調速目的。此外，要想將步進電機安裝在PLC上，需要步進電機驅動器進行支持，而典型的步進電機驅動系統主要由控制器、驅動器和步進電機三部分組成。

1.2機械手的概述

1.2.1機械手的結構與工作原理

機械手主要是由機械手臂、電機、聯軸器、絲杠、導軌、吸盤、底座以及氣缸等零部件組成，如圖1所示。而對于機械手的工作原理主要包括以下幾個方面：第一，在X方向選用普通氣缸作為驅動，直線導軌為導向；第二，在Z方向選用高速氣缸作為驅動；第三，在Y方向采用不僅電機驅動絲杠的傳動方式；第四，在Y自由度上設有限位開關，而在X、Z自由度上、汽缸以及吸盤旋轉汽缸設有磁性開關，從而限定機械手移動范圍及進行限位保護。

1.2.2機械手控制系統組成

機械手控制系統是采用PLC進行控制，而當中橫入橫出的部分為了達到機械手的精確定位，則是采用步進電機進行控制。另外，為了實現控制電機啟停的平穩性與快速性，要對步進電機的速度進行相應的設計，以便實現對步進電機升降速度的控制。同時，電機是通過聯軸器帶動絲杠并帶動機械臂沿直線導軌橫入橫出，而引拔、上下行、旋轉、抓取部分則全部采用氣動控制，同時采用觸摸屏進行人機對話十分直觀。另外，機械手控制系統的工作模式可以分為全自動模式、單循環模式以及手動模式三種，在實際的應用過程中可以根據用戶的實際需求進行選擇，從而不僅提高了產品的生產效率，還為相關人員的生命安全及財產安全提供了保障。

2基于步進電機工業取料機械手的硬件與軟件設計

2.1硬件設計

2.1.1電機控制

為了能夠使電機運行的速度保持平穩性并達到更高的定位精度，就要對步進電機的升降速進行嚴格的控制。步進電機升降速是由輸入脈沖控制，而其轉速則是由輸入脈沖的頻率所決定，并且不會累積旋轉角的誤差。同時，在高精度、大負載的工業取料機械手中，因機械手的慣性所引起的步進電機失步、過沖等問題都會對機械手的定位精度產生極大的影響。所以，為了保證步進電機不失步、不過沖，實現機械手的精確定位，就要對步進電機的控制脈沖頻率進行有效調節。此外，對于步進電機升降速的控制通常表現在升降速曲線中，而常用的步進電機升降速曲線包括直線升降速、指數曲線升降和拋物線升降速等。經過一系列的實踐研究表明，當步進電機升降速曲線中的轉速上升時，轉矩會隨速度接近于線性下降，并且這個轉矩是電磁轉矩和阻力矩之間的差值。

2.1.2氣動控制

為了使氣缸運行速度比較平穩，不斷提高機械手的穩定性和工作效率，從而在機械手氣動控制系統的每一個獨立啟動回路中配備了單向節流閥，并且因運用的慣性和氣體具有可壓縮性，導致在氣缸運動到滿量程時，如果停止氣缸就會產生較大的沖擊和噪聲，所以在每個氣缸接近滿量程時要配備磁性開關，從而當氣缸運行接觸到磁性開關時，電磁閥斷電而氣缸因慣性作用繼續運動，以便實現較好的緩沖效果，減小沖擊與噪聲。此外，由于PLC控制電磁閥的通斷實現了機械手在各自由度的運動，而在實際的生產過程中，因X方向運動行程較小，運動速度較低，中間行程不可調等原因可選用普通汽缸進行驅動，直線導軌作為導向；而在Z方向，為提高生產效率，縮短在該自由度方向的運動時間，可以選用高速汽缸作為驅動。

2.2軟件設計

機械手控制系統包括手動、單步、連續、單周期以及回原點五種工作方式，當機械手在電磁線圈斷電時，稱為系統處于原點狀態。同時，圖2是機械手PLC梯形圖的總體結構圖，其包括功用程序、手動程序、回原位程序和自動程序四個部分，其中自動程序又包括系統工作在全自動模式下的程序和系統工作在單循環模式下的程序。而在梯形圖中X0為手/自動選擇開關，X1為返回原點開關，將其合在一起編程比較簡單，同時在梯形圖中使用跳轉指令能夠使自動程序、手動程序和返回原點程序不同時執行，從而為機械手的穩定性和工作效率的提升提供了有效保障。

結束語

總而言之，用PLC控制的步進電機定位法對工業取料機械手進行控制，能夠對控制要求作出快速、準確的反映，并實現對各自由度步進電機運行的合理精確定位控制，改善了機械運行平穩性，縮短了步進電機的升降實踐，從而方便、快捷的實現了機械手位置控制，提高了勞動生產率。

參考文獻：

[1]郭艷萍，張超英.基于PLC的工業機械手控制系統[J].儀表技術與傳感器，2007（09）：31-32+56.